Angew. Chem.：钙钛矿量子点/金属有机框架复合材料用于高效人工光合作用催化剂
2019-06-05 09:56:51
作者：本网整理 来源：Wiley
利用高效催化剂将CO2光催化还原至高附加值的化学原料或燃料被认为是解决人类面临的能源枯竭与温室效应问题的重要方案之一。当前，开发高性价比的光催化剂体系是人工光合作用最核心的挑战之一。目前，该领域研究还存在以下科学问题：（1）仅模拟人工光合作用CO2还原半反应，需要添加有机牺牲还原剂提供电子来源，导致该催化体系难以在实际中得到应用；（2）利用水氧化产生的电子光催化还原CO2，但通常CO2还原产物的量很低，或催化体系不稳定，仅能维持几个小时，然后快速失活。
近年来兴起的卤化钙钛矿量子点材料因其具有成本低廉、高吸收系数，便于调控的能带结构、长载流子寿命等诸多优点在太阳能电池与光电子器件领域得到广泛的应用，最近也引起了光催化领域的关注。但是，卤化钙钛矿量子点材料因其离子晶体特性在水及极性溶剂中的稳定性较差，并且自身的催化活性位点较少，导致催化活性和稳定性都较差。因此，提高卤化钙钛矿量子点材料在含水体系中的稳定性及其催化活性是推动其在人工光合作用领域应用的关键。
针对这一问题，近日，天津理工大学张敏、鲁统部教授团队利用廉价的Fe基多孔金属-有机框架材料（MOFs）中孔道的空间限域效应，采用序列沉积的方法将CH3NH3PbI3（MAPbI3）量子点封装于铁卟啉基MOF孔道中制备出系列稳定的复合光催化剂体系MAPbI3@PCN-221（Fex） （x = 0~1），并用于光催化CO2还原。
研究表明，由于MOF框架的保护作用，该系列含有卤化钙钛矿量子点的复合催化剂在含水体系中表现出优良的催化反应稳定性，可以连续稳定工作80小时以上。此外，得益于钙钛矿量子点与MOF框架中Fe催化活性位点的紧密接触，钙钛矿量子点中的光生电子可以快速地转移至Fe催化活性位点，显着提高了MOF的光催化CO2还原活性。其中，MAPbI3@PCN-221（Fe0.2）光催化CO2还原为CH4和CO的产量分别高达1028和531 μmol g-1，是目前卤化钙钛矿类光催化CO2还原催化剂体系的最高值。相比于不含钙钛矿量子点的MOF体系，光催化活性提高了38倍，并且光还原二氧化碳的电子主要来源于水的氧化。该研究结果为构建具有实际应用价值的高效人工光合作用催化体系迈出重要一步。
相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上。
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